纤维编织网增强混凝土(Textile Reinforced Concrete,简称 TRC)是由纤维编织网与精细混凝土制成.使用织物增强水泥基材料的研究早在上世纪 80 年代初就已经开始了,到 90 年代后期,关于 TRC 的研究成果逐渐增多.德国最先成立了 TRC 的研究中心[1].2002 年 7 月,国际材料与结构研究实验联合会(RILEM)成立了关于 TRC 的研究学会(201-TRC),标志着欧美国家也正式开展对 TRC 的相关研究.国内也有很多学者从事 TRC 方面的研究,其中以徐世烺教授团队和荀勇教授团队为代表,进行了一系列的研究[1].
TRC 这种新型的复合材料,在进行结构加固时无需对 TRC 材料设置像钢筋一样的保护层,这是因为TRC 中的纤维材料是一种耐腐蚀的材料,它在混凝土中不会发生腐蚀.也正是因为 TRC 材料不需要保护层,所以它可以做的很薄,利用它进行结构加固时,几乎不改变原结构的尺寸和自重.由于 TRC 使用砂浆作为凝胶材料,与 FRP 加固相比,可以有效的提高与基体材料间的粘结性,于此同时,也提高了加固结构的抗老化、耐火性、耐久性等方面的性能,也有效解决了 FRP 材料不宜在潮湿环境下施工的问题[2].
国内外大量学者的研究表明,应用 TRC 进行钢筋混凝土结构加固是一种有效的加固方法[2-10].D'Ambris A 等[3]采用了不同种类的纤维以及不同的纤维网格规格、纤维的层数作为影响参数对 TRC 增强钢筋混凝土梁的弯曲性能进行试验研究,并提出两个不同的理论模型来计算纤维的应变,并将结果与试验值相比较,证明了这两种模型都可以应用在纤维的应变计算上.Schaditz 等[4]对 TRC 材料加固大跨度板的弯曲承载能力进行试验和理论方面的研究,结果显示:TRC 材料可以极大的提高加固板的承载力,加固量会影响板的挠度变化,板的挠度随着加固量的增加而变小,因此 TRC 材料用于加固大跨度板结构是安全的;用有限元软件对板的变形及其承载力进行计算,得到的结果与试验结果相近.Elsanadedy M 等[5]研究了分别采用 CFRP、TRM 加固 RC 梁的受弯性能,试验结果发现,CFRP 加固构件的承载力要稍微优于 TRM加固梁的受弯承载力,但是在延性方面,TRM 的优势非常明显;数值模拟的结果显示在 TRM 加固构件中加入 U 型锚固可以有效的控制加固构件发生剥离破坏.文献[2,6,7,8]对 TRC 抗弯加固钢筋混凝土梁的研究表明,TRC 抗弯加固梁的一般力学特征表现为:加固梁的抗弯承载力增大,梁的裂缝形态得到改善,裂缝的开展得到抑制,裂缝呈现"密而细"的特点,且随 TRC 中配网率增加抗弯承载力明显提高,裂缝宽度和间距都减小.文献[5,7,8,9]都基于 RC 梁抗弯理论推导了 TRC 加固梁的开裂荷载计算公式和不同破坏形态的正截面承载力计算公式.文献[10]对 TRC 抗弯加固 RC 梁试验和有限元计算的荷载-挠度曲线和荷载-应变曲线的变化趋势进行比较,发现两者能够吻合.
虽然 TRC 材料在静载作用下表现出良好的加固效果,但 TRC 用于加固钢筋混凝土梁在疲劳荷载作用下却是未知数,会表现出怎样的特性,该方法是否能在实际工程中应用,目前国内外尚未发现公开发表的相关论文发表.为此,本文对 TRC 加固 RC 梁的疲劳性能进行试验研究.测定了 TRC 加固梁的疲劳寿命,分析了 TRC 加固梁的破坏过程与应变发展.
1 弯曲疲劳试验概况
1.1 试验梁设计与制作
试验共制作了 10 根钢筋混凝土梁 HF1~HF10,其中 HF1 为未加固梁,剩下 9 根为 TRC 加固梁.未加固梁截面尺寸为 120mm×240mm,加固梁加固之前的截面尺寸为 120mm×230mm,加固之后的尺寸为120mm×240mm,总长都是 2400mm.主筋采用 2 12、2 14、2 16 钢筋,架立筋采用 2A8 钢筋,所有梁的箍筋采用 A6.5HPB235 级钢筋,箍筋间距为 s=100mm,纯弯段为 200mm;砼强度为 C40,实测 28 天抗压强度为 44.6MPa,试验梁的基本参数如表 1.纤维编织网如图 1,采用的是由相互垂直的碳纤维束和无碱玻璃纤维束混编的二纬缝编织物,网格间距为 10 mm(见图 1) 详细参数见文献[1].加固梁横截面示意图如图 2.
1.2 试验加载
加载及测点布置如图 3.加载系统采用杭州邦威生产的液压伺服系统,数据由东华 3187 自动采集.疲劳试验采用跨中对称、等幅重复加载.疲劳荷载应力水平 σmax/σu= 0.7 ,应力比 σmin /σmax = 0.2 .直径为 12mm的梁疲劳荷载上限为 52.5kN,疲劳下限为 10.5kN;直径为 14mm 的梁疲劳荷载上限为 59.5kN,疲劳下限为 11.90kN;直径为 14mm 的梁疲劳荷载上限为 68kN,疲劳下限为 13.6kN.
2 试验结果与分析
各梁的疲劳寿命及破坏形态汇总于表 2:
从表 2 中可以得到,同样配网率下,单面加固梁的疲劳寿命为 41.53 万次、U 型加固梁的疲劳寿命为38.10 万次.在加固量相同的情况下,单面加固的疲劳寿命要高于 U 型加固.这是因为 U 型加固在梁侧面的 TRC 材料不能得到充分的利用,随着梁高的增加,TRC 受力减小,而单面加固梁所使用的 TRC 材料全部布置在梁底,其受力比较均匀,所以在疲劳荷载上下限都不变的情况下单面加固梁的疲劳效果要优于 U型加固.但不论是三面加固还是 U 型加固都比未加固梁的疲劳寿命有所提高,单面加固提高了 32%,U 型加固提高了 21%,说明 TRC 对提高 RC 梁的疲劳寿命有很好的作用.
2.1 疲劳破坏过程
TRC 加固梁的破坏形态可分为两类:(1) 砼压坏,网拉断,钢筋未断裂;(2) 砼未压坏,网拉断,钢筋未断裂.梁 HF2、HF3、HF4 发生第一类破坏模式.发生第一类破坏的梁,配网层数较少,加载时纤维编织网层受力较大,破坏时网突然断裂,断口整齐,破坏形成的主裂缝较窄,但裂缝高度很高,中和轴位置相对较高,受压区混凝土被压坏,如图 4(a).梁 HF5、HF7~HF10 发生第二类破坏的梁配网层数较多,跨中变形较小,破坏时主裂缝高度较低,受压区混凝土未能压碎,如图 4(b).
下面以破坏形态(2)为例介绍 TRC 加固 RC 梁的裂缝发展及疲劳破坏过程.疲劳加载过程中, 试验梁HF7 的荷载-跨中挠度曲线如图 5 所示, 图例中的数字代表疲劳加载次数(单位为万次).第一阶段: 在疲劳加载前第一次静载后, 受拉区混凝土出现裂缝, 裂缝处混凝土退出工作, 此时拉应力主要由钢筋和纤维编织网承担;原有的裂缝向上扩展使得中和轴上移, 并且新的裂缝不断产生, 此阶段末裂缝基本出齐, 该阶段相对加固梁的整个寿命过程较短.第二阶段表现为加固梁的挠度几乎不变, 各材料的最大应变虽有增加但非常缓慢且增量有限, 该阶段末期 RC 梁会产生新的裂缝,主裂缝形成,该阶段在整个疲劳破坏过程所占的比例最大.第三阶段,加固梁的跨中挠度迅速增加, 在时间很短的情况下梁发生疲劳破坏.
进一步,试验结果表明,未加固梁破坏时表现为钢筋疲劳脆性断裂后梁迅速发生大变形并丧失承载能力;而加固梁破坏时表现为裂缝不断扩大,梁跨中挠度增长过快,此时梁仍具有一定的承载力但梁承载能力有所降低.未加固梁破坏截面处梁顶混凝土压碎,而配三层网的 TRC 加固梁破坏时混凝土均未压碎,说明 TRC 减缓了加固梁跨中截面中和轴的上移,破坏时梁跨中截面顶混凝土压应变仍较小.加固梁与未加固梁相比,前者的破坏形态有明显的优点:加固梁破坏时裂缝较多,裂缝间距较短,形成的破坏主裂缝宽度较小,且加固梁的钢筋没有断裂的现象;而未加固梁破坏时裂缝较少,裂缝间距较宽,形成的破坏主裂缝宽度很大,受力钢筋全部断裂.
TRC 加固梁在疲劳荷载作用下跟其在静载作用下的破坏形态不同.静载作用下 TRC 加固梁破坏时会沿着纵向钢筋方向产生撕裂裂缝,并且保护层会脱离钢筋,如图 6;而在疲劳荷载作用下只会沿梁高方向产生竖向裂缝,且裂缝宽度不大.产生这种现象的原因是静载作用下 TRC 加固梁最终承受的力为其极限荷载,加固梁的变形较大,且加固层与老混凝土之间的粘结力大于老混凝土与钢筋之间的粘结力.而 TRC加固梁在疲劳荷载作用下,疲劳荷载的上限值为极限荷载的 70%,加固梁的变形较小,最后主要是加固层和混凝土的疲劳破坏,故不会产生静载下的破坏形态.
2.2 试验梁应变发展
1) 单面加固与 U 型加固
从图 7 中可以看出,钢筋应变随着循环次数的增长呈现出 3 个阶段的发展:初始发展、稳定发展、迅速发展.在第一、二阶段,梁 HF4 的应变略大于梁 HF2;但到了第三阶段,梁 HF2 的钢筋应变发展迅速,这也标志着梁 HF2 已经进入了破坏阶段.由于第三阶段应变发展迅速,应变值较大,应变片在此阶段以失效,因此第三阶段的数据很难采到.梁顶混凝土应变如图 7(b),其基本上也是三阶段的发展模式.从图中可以看出梁 HF4 的混凝土应变要大于梁 HF2,这说明在破坏之前相同的循环次数下梁 HF2 的刚度要大于梁 HF4.
2) 不同配网率
本次试验设计了四根不同配网率的梁,但由于采集设备的问题只采到了梁 HF4 和梁 HF6 的数据.从图 8(a)中可以看出配网率的增加可以明显的减小钢筋应变,减缓裂缝发展速度,从而提高加固梁的刚度.
梁 HF6 的顶面混凝土压应变要小于梁 HF4,这表明 TRC 可以减缓中和轴的上移速度,减小疲劳破坏时梁顶压应变,从而提高疲劳寿命.
3) 不同配筋率
从图 9 中可以看出,在相同的循环次数下,梁 HF5 的钢筋应变大于梁 HF6,梁 HF6 的顶面混凝土压应变要小于梁 HF5,这说明高配筋率的梁可以有效减小钢筋拉应变和混凝土的压应变,减缓中和轴的上移速度,从而提高疲劳寿命.这也说明了在疲劳荷载作用下 RC 梁的疲劳寿命受钢筋的控制.
4) 不同损伤程度
从图 10 中可以看出,当梁 HF10 的钢筋发展进入第三阶段时,梁 HF8、梁 HF9 还在第二阶段.也就是说较大荷载作用下的静力损伤会使加固梁的钢筋应变提前进入第三阶段的发展,会减小 RC 梁的疲劳寿命.实际上在静力作用下,对混凝土和钢筋都会有损伤.只是在静力荷载较小时,混凝土和钢筋都处于弹性阶段,卸载后对混凝土和钢筋的损伤不大,故对在疲劳荷载作用下的钢筋应变和混凝土应变影响不大.
然而当静力荷载较大时,混凝土或者钢筋可能处于弹塑性阶段,卸载后对混凝土和钢筋的损伤较大,故对在疲劳荷载作用下的钢筋应变和混凝土应变值也较大,从而对疲劳寿命有较大的影响.
3 结论
通过试验可以得到以下结论:
(1) TRC 加固梁在疲劳荷载作用下与静力作用下有着不同的破坏形态.
(2) 在配网率一定的情况下,采用 U 型加固方式和单面加固方式都可以提高钢筋混凝土梁的疲劳寿命;单面加固方式对疲劳寿命的提高优于 U 型加固.
(3) TRC 加固梁的疲劳破坏过程可以分为三个阶段,第一阶段会产生大量的裂缝,第二阶段基本不产生裂缝,挠度也增加缓慢;第三阶段会形成破坏主裂缝,标志着梁要破坏.
(4) 加固梁的受压区混凝土应变与受拉钢筋应变随荷载循环次数的增加呈三个阶段发展的发展过程.
(5) 加固量和配筋率的增大都会减缓中和轴的上移速度,减小疲劳破坏时梁顶压应变,从而提高疲劳寿命.
(6) 较大荷载作用下的静力损伤会使加固梁的钢筋应变提前进入第三阶段的发展,会减小 RC 梁的疲劳寿命.
参考文献:
[1] 尹世平. TRC 基本力学性能及其增强钢筋混凝土结构受弯性能研究[D]. 大连: 大连理工大学, 2010
[2] 徐世烺, 尹世平, 蔡新华. 纤维编织网增强混凝土加固钢筋混凝土受弯梁的抗裂性能研究[J]. 水利学报, 2010, 41(7):833-841.
[3] D'Ambrisi A, Focacci F. Flexural strengthening of RC beams with cement-based composites [J]. Journal of Composites forConstruction, 2011, 15(5): 707–720.
[4] Schladitz F, Frenzel M, Ehlig D, et al. Bending load capacity of reinforced concrete slabs strengthened reinforced concretebeams[J]. Engineering structures, 2012, 40: 317-326.
[5] Elsanadedy H M, Almusallam T H, Alsayed S H, et al. Flexural strengthening of RC beams using textile reinforcedmortar-Experimental and numerical study[J]. Composite Structures, 2013, 97: 40-55.
[6] 尹世平,徐世烺. 钢筋与纤维编织网联合增强细粒混凝土梁的弯曲试验与理论研究[J].工程力学,2011,28(1): 087-095.
[7] 荀勇, 支正东, 张勤. 织物增强混凝土薄板加固钢筋混凝土梁受弯性能试验研究[J]. 建筑结构学报, 2010, 31(3): 70-76
[8] 徐世烺, 尹世平, 蔡新华. 纤维编织网增强混凝土加固钢筋混凝土梁受弯性能研究[J]. 土木工程学报, 2011, 44(4):23-34
[9] 徐世烺, 尹世平. 纤维编织网增强细粒混凝土加固 RC 受弯构件的正截面承载性能研究[J]. 土木工程学报, 2012, 45(1):1-7
[10] 张雷. TRC 抗弯加固 RC 梁的有限元分析[D]. 大连: 大连理工大学, 2010
